CN104299432A - 一种过饱和路口信号灯控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过饱和路口信号灯控制方法及装置，主要技术方案包括：获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。采用该技术方案，实现对过饱和路口的信号控制，提高了过饱和路口的通行能力。

Description

一种过饱和路口信号灯控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种路口信号灯调整方法，特别涉及一种过饱和路口信号灯控制方法及装置。

背景技术

城市道路交叉口信号协调控制系统在城市交通中发挥着越来越重要的作用，城市交通管理者都试图借助城市交通信号协调控制系统来缓解城市交通问题。

城市道路交叉口信号协调控制系统具有安装成本低、维护简易、高效、实时和自动化水平高等优点，得到了大量推广应用。交通信号协调控制系统一般由车辆信息的采集和分析、交通模型、配时方案参数优化调整、信号控制方案的执行、方案效果反馈等组成。交通模型是利用特定的算法将路口的交通状态数据经过计算得出路口的交通状态参数，然后通过分析得出路口信号协调控制方案。

在交通早晚高峰期间，大量交叉路口都会处于过饱和状态，交通信号协调系统对于过饱和状态的控制技术有很多不足之处，控制结果不能使过饱和状态路口的拥堵程度得到缓解。

综上所述，现有技术中交通信号协调系统对于过饱和状态路口的控制，存在不能缓解拥堵程度的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种过饱和路口信号灯控制方法及装置，用以解决现有技术中交通信号协调系统对于过饱和状态路口的控制，存在不能缓解拥堵程度的问题。

本发明实施例提供一种过饱和路口信号灯控制方法，包括：

获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。

较佳地，所述获得受控路口的检测数据之后，还包括：

根据所述检测数据获得所述受控路口各相位的占有率，根据所述受控路口各相位的占有率和各相位的占有率阈值，确定所述受控路口各相位是否存在二次排队车辆。

较佳地，所述占有率阈值按照下列公式获得：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}$

其中，G为绿灯时间，R为红灯时间，o_s为车辆以饱和流量通过停车线时的占有率，t₁为绿灯内占有率为1的时间间隔，t₂为红灯内占有率为1的时间间隔。

较佳地，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态，具体为：

若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；和/或，

若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

较佳地，所述受控路口存在二次排队车辆时，第一排队队长按照下列公式确定

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s$

其中，L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

较佳地，所述受控路口存在二次排队车辆时，按照下列公式确定存在二次排队车辆时的预测到达车辆数：

$\stackrel{\‾}{N_t}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

较佳地，所述根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数为：

所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力满足如下关系式：

$L_{t+1}^i-L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

较佳地，所述受控路口的第二流量为：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数；N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。较佳地，确定所述期待通行能力后，依据如下公式求解信号灯配时参数，选取满足所述约束条件的信号灯配时参数为所述受控路口信号灯的配时参数：

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}$

其中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

较佳地，选取满足所述约束条件的信号灯配时参数包括：

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果；

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。

较佳地，还包括：

若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。本发明实施例还提供一种过饱和路口信号灯控制装置，包括：

判断单元，用于获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

确定单元，用于若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

配时参数确定单元，用于根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。较佳地，所述判断单元具体还用于：

根据所述检测数据获得所述受控路口各相位的占有率，根据所述受控路口各相位的占有率和各相位的占有率阈值，确定所述受控路口各相位是否存在二次排队车辆。

较佳地，所述占有率阈值按照下列公式获得：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}$

其中，G为绿灯时间，R为红灯时间，o_s为车辆以饱和流量通过停车线时的占有率，t₁为绿灯内占有率为1的时间间隔，t₂为红灯内占有率为1的时间间隔。

较佳地，所述判断单元具体用于：

若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；和/或，

若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

较佳地，所述确定单元具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，第一排队队长按照下列公式确定

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s$

其中，L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

较佳地，所述确定单元具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，按照下列公式确定存在二次排队车辆时的预测到达车辆数：

$\stackrel{\‾}{N_t}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

较佳地，所述配时参数确定单元具体用于：

所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力满足如下关系式：

$L_{t+1}^i=L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

较佳地，所述配时参数确定单元具体用于：

所述受控路口的第二流量为：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数；N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

较佳地，所述配时参数确定单元具体用于：

确定所述期待通行能力后，依据如下公式求解信号灯配时参数，

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}$

其中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

较佳地，所述配时参数确定单元具体用于：

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果；

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。

较佳地，所述配时参数确定单元还用于：

若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。

本发明实施例中，获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；根据所述受控路口各相位的第一排队队长，第二排队队长，第二流量，期待通行能力，目标函数以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述第二排队队长值为不超过所述受控路口各相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。采用该方法，能够针对过饱和路口采用新的信号配时参数，实现对过饱和路口的信号控制，提高了过饱和路口的通行能力。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种过饱和路口信号灯控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的检测线圈器布设示意图；

图3为本发明实施例提供的排队冲击波示意图；

图4为本发明实施例提供的预测二次排队车辆示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种过饱和路口信号灯控制装置示意图。

具体实施方式

本发明实施例中，获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；根据所述受控路口各相位的第一排队队长，第二排队队长，第二流量，期待通行能力，目标函数以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述第二排队队长值为不超过所述受控路口各相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。采用该方法，能够针对过饱和路口采用新的信号配时时参数，实现对过饱和路口的信号控制，提高了过饱和路口的通行能力。

本发明实施例中，涉及的符号的定义如下：

车流量：在设定时间内，某条公路某个相位点上所通过的车辆数，公式为车流量＝单位时间*车速/(车距+车身长)。

占有率O_S：道路上已知点被车辆占有的时间与规定时间间隔的比值，也可以描述某个相位的道路占有状况。

饱和流量S:是指在某个相位的红灯期间或绿灯初期排过队的车辆,在绿灯时间里连续通过停车线时所能达到的最大流率。

集结波速度v₁：车流由运动变为排队静止的状态向车队后方传播的速度。也可以是车流由低密度状态向高密度状态转变的界面移动，车流在交叉路口遇红灯，车流通过瓶颈路段、桥梁等都会产生集结波速度。

消散波速度v₂：车流排队由静止的状态变为启动运动的状态向车队后方传播的速度，也可以是车流由高密度状态向低密度状态转变的界面移动，交叉路口引道上红灯期间的排队车辆由绿灯时开始离开，车流从瓶颈路段离开等都会产生消散波速度。

通行能力Q：指的是在一定的道路和交通条件下，道路上某一相位路段单位时间内通过某一断面的最大车辆数。

排队车辆密度K_j：车流驶出上游路口停车线单位长度道路上的车辆数。

到达车辆密度K_a：车流排队停止不动是单位长度道路上的车辆数。

消散车辆密度K_m：车流驶出下游路口停车线单位长度道路上的车辆数。

μ:黄灯时间Y及绿灯前损失时间与后损失时间之和。

实施例一

本发明实施例一提供一种过饱和路口信号控制方法，如图1所示，主要包括下列步骤：

步骤101，获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

步骤102，若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

步骤103，根据所述受控路口各相位的第一排队队长，第二排队队长，第二流量，期待通行能力，目标函数以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述第二排队队长值为不超过所述受控路口各相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。

在本发明实施例中，每个车道(相位)上均布设有线圈检测器，检测器的位置具体布设情况如图2所示，每个检测器均布设于距离停车线30m的地方，检测数据以5min的时间间隔进行输出，输出数据包括入口道的车流量、占有率与饱和流量。本发明实施例中对于检测器与停车线的距离和检测数据的输出时间不做限定。

本领域技术人员可以知道，目前对于交叉路口最大排队的定义有两种，第一种认为排队车辆最大时的排队长度，对应于绿灯开始的时间；第二种认为排队实际到达的最远为排队长度，对应于绿灯开始后一段时间，消散波到达队尾时刻的排队长度。本发明实施例中采用第二种方法确定排队长度，主要是因为第二种排队长度更能直观反映实际道路上车辆的真实排队情况。

在步骤101中，获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态，其中每个车道上的线圈检测器在设定时间内可以确定该车道的占有率情况。

进一步地，根据所述检测数据获得所述受控路口的占有率与所述受控路口占有率阈值，确定所述受控路口是否存在二次排队车辆。

由于检测器布设的位置的限制，路段具有二次排队与不具有二次排队的两种情况下交通运行状态不同，因此，计算检测器检测到的数据也具有不同的特定。本发明实施例中，若连续多个时间间隔检测器的占有率O_S都超过设定的阈值，则认为该路段具有二次排队的车辆，则根据该路段具有二次排队的车辆计算最大排队长度；若连续多个时间间隔检测器的占有率O_S都没有超过设定的阈值，则认为该路段不具有二次排队的车辆，则根据该路段不具有二次排队的车辆计算最大排队长度。

比如，若检测器安装在距离停车线30m的位置，当绿灯开始，只有当停车线30m后的车辆稳定通过，占有率才不为1，因此，当绿灯开始后，有一段时间t₁，检测器为完全占有状态，此时占有率即为1；当t₁这段时间结束后，车辆以饱和流量通过，此时占有率为o_s。当绿灯结束，红灯开始后，同样的由于检测器安装在距离停车线30m的位置，所以红灯开始时占有率不会直接变为1，而是后续车辆从停车线开始逐渐排队，经过一段时间t₂后排队到达检测器上，这段时间t₂内的占有率最大为o_s，这段时间t₂之后直到下次绿灯开始，占有率一直为1。因此，将具有二次排队车辆的检测器的占有率阈值设定为公式(1)，具体如下：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}---\left(1\right)$

其中，R为红灯时间，G为绿灯时间，C为一个周期内红灯时间加绿灯时间以及黄灯时间，o_s为占有率，t₁为绿灯内，占有率为1时的时间间隔，t₂为红灯内，占有率为1时的时间间隔。

在本发明实施例中，o_s、t₁和t₂根据实际交叉口调查确定，如果没有调查值，o_s可取0.2，令t₁＝t₂。

进一步地，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态，具体为依据所述受控路口的到达率以及所述受控路口的通行能力或所述受控路口的排队队长以及所述受控路口的排队队长阈值；

其中，所述受控路口的到达率与所述受控路口的车流量相关。通行能力Q指的是在一定的道路和交通条件下，道路上某一路段单位时间内通过某一断面的最大车辆数。

受控路口的排队队长是一个实时的变化值，本发明实施例中排队队长为实际到达的最远为排队长度，对应于绿灯开始后一段时间，消散波到达队尾时刻的排队长度。所述受控路口的排队队长阈值是该受控路口最大排队队长的限定值，该值是根据该受控路口的实际路况设定的，本发明实施例对受控路口最大排队队长阈值的设定方法不做限定。

本发明实施例中，对于受控路口是否处于过饱和状态有两种判断方法，只要满足其中任一方法，则可以确定该受控路口处于过饱和状态，具体的判断方法如下：

方法一，若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；

方法二，若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

在方法一中，所述受控路口不存在二次排队，所述受控路口的到达率为所述受控路口在设定时间内的检测到的实际到达率。

若所述受控路口存在二次排队，则所述受控路口的检测流量值并不是实际到达的车辆数，所以此时所述受控路口的到达率是预测得到的。

在方法二中，根据所述受控路口的占有率与所述受控路口占有率阈值的大小关系，可以确定所述受控路口是否存在二次排队车辆，具体分为下列两种方式：

方式一，若所述确定的受控路口的占有率不大于所述受控路口的占有率阈值O₀，则可以确定所述受控路口不存在二次排队车辆，本领域技术人员可以知道，受控路口的排队车辆是一个动态变化的过程，若受控路口不存在二次排队车辆，排队过程较为简单，且每个车道上的线圈检测器可以检测到该车道的车流量，即为到达的车辆数，根据冲击波理论假设红灯开始后到达车辆产生的集结波速度为v₁，绿灯启亮后，消散车辆产生的消散波速度为v₂，如图3所示。

那么，所述受控路口的最大排队长度具体如公式(2)所示：

$L_{\max }=\frac{v_1{v}_{2}R}{v_2-v_1}---\left(2\right)$

其中，L_max是最大排队长度，R是红灯时间，v₁是集结波速度，v₂是消散波速度。

集结波速v₁可以根据车辆到达率进行计算，而车辆到达率则根据检测流量计算。假设5分钟检测流量为N，则该路口在一个小时内的到达率q即为12N，单位veh/h。则根据冲击波理论，v₁的计算公式如公式(3)所示：

$v_1=\frac{12N}{k_j-k_a}---\left(3\right)$

公式中，k_j为排队车辆的密度，k_a为到达车辆的密度。

本发明实施例中，k_j可以实际调查得到，如果没有调查数据则可以根据车头间距进行计算，一般情况下，小汽车排队时的车头间距大约为7m。k_a则可以通过流量和路段车速进行计算，公式如(4)所示：

$k_a=\frac{q}{3.6v}=\frac{N}{0.3v}---\left(4\right)$

公式中：v为到达车辆的速度，单位为m/s。

消散波速度v₂可以根据通行能力以及消散时的车流密度来计算，假设通行能力为Q，消散车辆密度为k_m，则v₂的计算公式如(5)所示：

$v_2=\frac{Q}{k_m-k_j}---\left(5\right)$

公式中，k_j为排队车辆的密度，k_m为消散车辆密度。

在本发明实施例中，消散车辆密度可以根据通行能力和车辆行驶速度进行计算，如公式(6)所示：

$k_m=\frac{Q}{3.6v}---\left(6\right)$

通行能力Q由路段饱和流量S、周期C、绿灯时间G、黄灯时间Y及绿灯前损失时间与后损失时间之和μ来确定：

$Q=\frac{S(G+Y-\mathrm{\μ})}{C}---\left(7\right)$

公式中，S为饱和流量，G为绿灯时间，Y为黄灯时间，μ为设定值。

本发明实施例中的饱和流量S是由线圈检测器实际检测得到，所以反映的是实际路况的值，误差较小。

方式二，若所述确定的受控路口的占有率大于所述受控路口的占有率阈值O₀，则可以确定所述受控路口存在二次排队车辆，因为存在二次排队车辆时，路况比较复杂，原来针对受控路口不存在二次排队车辆的冲击波理论并不适合受控路口存在二次排队车辆的算法，因此，本发明实施例提出了另外一种计算存在二次排队车辆最大排队长度的有效方法。

本发明实施例中，因为所述受控路口存在占有率阈值，所以根据该受控路口占有率和该受控路口占有率阈值大小关系，可以确定以第t个时间间隔为分界点，因为该点之前，不存在二次排队车辆，到达车辆渐渐增多，检测车流量持续增加；所以该点之前的最长排队长度和流量N都是可以根据线圈检测器检测到的数据计算得到的。该点之后，路段出现二次排队车辆，检测流量稳定，而实际流量则继续增加；而需要计算最大排队长度，首先要解决的问题是对实际到达流量进行预测，根据预测流量计算排队的累计增加量。

本发明实施例中，路段若出现二次排队车辆时，线圈检测器是无法准确检测到实际到达的车辆数，因此首先需根据实际到达的车辆数对出现二次排队车辆实际到达的车辆数进行预测，预测原理具体如图4所示，已知下游交叉口的车辆全部来自于上游路口所标示的三个方向，然后通过换道分为了左直右三股车流，其中1、2、3方向通过的车辆数是可以通过线圈准确得到的。根据上游1、2、3三个方向的车辆总数乘以分流系数，来预测下游路口的到达车辆数，的计算公式如公式(8)所示：

$\stackrel{\‾}{N_t}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}---\left(8\right)$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

本发明实施例中，由于第t-1个时间间隔受控路口并没有二次排队车辆，所以第t-1个时间间隔计算的排队长度是利用冲击波方法计算得出的最大排队长度，由于第t个时间间隔的之后，路段出现二次排队车辆，而该点之后的二次排队队长则可以根据如公式(9)所示的计算：

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s---\left(9\right)$

式中：L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

在步骤102中，若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

进一步地，所述受控路口不存在二次排队车辆时，第一排队队长按照公式(2)得到；

所述受控路口存在二次排队车辆时的第一排队队长按照公式(9)得到。

在步骤103中，根据所述受控路口各相位的第一排队队长，第二排队队长，第二流量，期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；

在本发明实施例中，受控路口在绿灯开始后排队的消散是一个动态过程，所述受控路口的排队车辆的累计减少数即等于该时间段内离去车辆总数与到达车辆总数之差，假设第t₀个时间间隔的第一排队队长为而该受控路口在第t个时间间隔为过饱和状态，在第t+1个时间间隔内开始实施新的信号控制方案，此时相位i的第二排队队长期待通行能力为第二流量数为上述参数满足如下公式(10)

$L_{t+1}^i-L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s---\left(10\right)$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

进一步地，所述受控路口的第二流量具体如公式(11)所示：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}---\left(11\right)$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数；N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

进一步地，若所述受控路口第t+1个时间间隔内开始实施新的信号控制方案，在第t+1个时间间隔内的通行能力可以根据公式(12)确定：

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}---\left(12\right)$

公式中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

在本发明实施例中，将所述受控路口个相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力带入公式(10)中，需要根据已知的第一排队队长值和其它约束条件采用规划求解的方法，确定在新的信号控制方案中的信号灯的配时参数，也就是得到公式(12)中绿灯时间、红灯时间已经总的周期的时间长度。其中，确定在新的信号控制方案中信号灯的配时参数可以具体包括下列步骤：

步骤201，确定目标函数。

其中，目标函数的确定是根据以各相位总的最大排队长度作为目标函数W，具体如公式(13)所示：

$W=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{t+1}^i---\left(13\right)$

在公式中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，n为受控路口的相位数。

步骤202，确定约束条件

在本发明实施例中，约束条件主要包括最大排队长度约束、周期内各相位的绿灯时间之和加上绿灯的间隔时间、各相位中绿灯的最小时间、周期的时间长度等。

其中，最大排队长度不能超过约束值，Lⁱ表示所述受控路口相位i的排队队长阈值，最大排队长度约束如公式(14)所示：

$0\≤L_{t+1}^i\≤L^i,i=\mathrm{1,2},...,n;---\left(14\right)$

公式中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，Lⁱ表示相位i的排队队长阈值。

周期内各相位的绿灯时间之和加上总的绿灯间隔时间应等于周期时间，其应该满足公式(15)

G₁+G₂+......+G_n+l＝C     (15)

公式中，l为总的绿灯间隔时间，等于黄灯时间与全红时间之和。

各相位中绿灯的最小时间的限定应该满足公式(16)

G₁,G₂,...,G_n≥15    (16)

最后，信号周期不宜过小，否则会对行车安全不利，也不宜过大，否则会超过驾驶者的承受范围，本发明实施例根据实际情况确定周期C的约束条件如(17)所示：

50≤C≤200      (17)

步骤203，根据公式(10)、目标函数公式(13)及最大排队长度约束、周期内各相位的绿灯时间之和加上绿灯的间隔时间、各相位中绿灯的最小时间和周期的时间长度可以得到在新的信号控制方案中信号灯的配时参数，也就是可以获得公式12的绿灯，周期的解。

在本发明实施例中的求解方法采用的是规划求解，所以最后得到的解的情况可能会出现下列几种情况：

1)若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果。

2)若满足所述约束条件的信号灯配时参数是所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。虽然一般情况下周期时长越长路口的通行能力越大，但是车辆延误与停车率也会随之增加。所以，本发明实施例中选取周期最小的信号灯配时参数已经满足了所需的通行能力要求，所以考虑到车辆延误与停车率选取周期最小的解。

3)若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。根据所述受控路口相应相位的排队队长阈值以及所述约束条件重新确定所述受控路口的配时参数。

本发明实施例中，获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；根据所述受控路口各相位的第一排队队长，第二排队队长，第二流量，期待通行能力，目标函数以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述第二排队队长值为不超过所述受控路口各相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。采用该方法，能够针对过饱和路口采用新的信号配时参数，实现对过饱和路口的信号控制，提高了过饱和路口的通行能力。

针对上述方法流程，本发明实施例还提供一种过饱和路口信号灯控制装置，这些装置的具体内容可以参照上述方法实施，在此不再赘述。

实施例二

本发明实施例提供一种过饱和路口信号灯控制装置，如图5所示，包括：判断单元21、确定单元22和配时参数确定单元23。

判断单元21，用于获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

确定单元22，用于若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

配时参数确定单元23，用于根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。

进一步地，所述判断单元21具体还用于：

根据所述检测数据获得所述受控路口各相位的占有率，根据所述受控路口各相位的占有率和各相位的占有率阈值，确定所述受控路口各相位是否存在二次排队车辆。

进一步地，所述占有率阈值按照下列公式获得：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}$

其中，G为绿灯时间，R为红灯时间，o_s为车辆以饱和流量通过停车线时的占有率，t₁为绿灯内占有率为1的时间间隔，t₂为红灯内占有率为1的时间间隔。

进一步地，所述判断单元21具体用于：

若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；和/或，

若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

进一步地，所述确定单元22具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，第一排队队长按照下列公式确定

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s$

其中，L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

进一步地，所述确定单元22具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，按照下列公式确定存在二次排队车辆时的预测到达车辆数：

$\stackrel{\‾}{N_t}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

进一步地，所述配时参数确定单元23具体用于：

所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力满足如下关系式：

$L_{t+1}^i-L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

进一步地，所述配时参数确定单元23具体用于：

所述受控路口的第二流量为：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}={\mathrm{\λN}}_{\mathrm{zt}}$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数；N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

进一步地，所述配时参数确定单元23具体用于：

确定所述期待通行能力后，依据如下公式求解信号灯配时参数，

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}$

其中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

进一步地，所述配时参数确定单元23具体用于：

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果；

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。

进一步地，所述配时参数确定单元23具体用于：

若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。

对于本实施例的一种过饱和路口信号灯控制装置，包括的判断单元、确定单元和配时参数确定单元。其中，上述单元可以设置在同一个实体装置内，也可以是多个独立设置的实体设备，本发明实施例不做具体的限定。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (22)

1.一种过饱和路口信号灯控制方法，其特征在于，包括：

获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述获得受控路口的检测数据之后，还包括：

根据所述检测数据获得所述受控路口各相位的占有率，根据所述受控路口各相位的占有率和各相位的占有率阈值，确定所述受控路口各相位是否存在二次排队车辆。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述占有率阈值按照下列公式获得：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}$

其中，G为绿灯时间，R为红灯时间，o_s为车辆以饱和流量通过停车线时的占有率，t₁为绿灯内占有率为1的时间间隔，t₂为红灯内占有率为1的时间间隔。

4.如权利要求2所述方法，其特征在于，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态，具体为：

若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；和/或，

若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

5.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述受控路口存在二次排队车辆时，第一排队队长按照下列公式确定

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s$

其中，L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述受控路口存在二次排队车辆时，按照下列公式确定存在二次排队车辆时的预测到达车辆数：

$\stackrel{\‾}{N_t}=\mathrm{\λ}{N}_{\mathrm{zt}}$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数为：

所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力满足如下关系式：

$L_{t+1}^i-L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，还包括：所述受控路口的第二流量为：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}=\mathrm{\λ}{N}_{\mathrm{zt}}$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

9.如权利要求7所述方法，其特征在于，确定所述期待通行能力后，依据如下公式求解信号灯配时参数，选取满足所述约束条件的信号灯配时参数为所述受控路口信号灯的配时参数：

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}$

其中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，选取满足所述约束条件的信号灯配时参数包括：

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果；

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。

11.如权利要求9所述方法，其特征在于，还包括：

若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。

12.一种过饱和路口信号灯控制装置，其特征在于，包括：

判断单元，用于获得受控路口的检测数据，根据所述检测数据确定所述受控路口是否处于过饱和状态；

确定单元，用于若处于过饱和状态，则根据所述检测数据确定所述受控路口的第一排队队长；

配时参数确定单元，用于根据所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力以及约束条件，确定所述受控路口信号灯的配时参数；其中，所述各相位的第二排队队长值为不超过所述受控路口相应相位的排队队长阈值的期待值；所述各相位的第二流量为所述受控路口相应相位的预测到达车辆数。

13.如权利要求12所述装置，其特征在于，所述判断单元具体还用于：

根据所述检测数据获得所述受控路口各相位的占有率，根据所述受控路口各相位的占有率和各相位的占有率阈值，确定所述受控路口各相位是否存在二次排队车辆。

14.如权利要求13所述装置，其特征在于，所述占有率阈值按照下列公式获得：

$o_0=\frac{o_s(G+t_2-t_1)+R+t_1-t_2}{C}$

其中，G为绿灯时间，R为红灯时间，o_s为车辆以饱和流量通过停车线时的占有率，t₁为绿灯内占有率为1的时间间隔，t₂为红灯内占有率为1的时间间隔。

15.如权利要求13所述装置，其特征在于，所述判断单元具体用于：

若所述受控路口的到达率大于所述受控路口的通行能力，则确定所述受控路口处于过饱和状态；和/或，

若所述受控路口的排队队长大于所述受控路口的排队队长阈值，则确定所述受控路口处于过饱和状态。

16.如权利要求13所述装置，其特征在于，所述确定单元具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，第一排队队长按照下列公式确定

$L_t=L_{(t-1)}+(\stackrel{\‾}{N_t}-N_{t-1})h_s$

其中，L_t是第t个时间间隔的最大排队队长，是第t个时间间隔的预测到达车辆数，L_(t-1)是第t-1个时间间隔的最大排队队长，N_t-1是第t-1个时间间隔的实际到达车辆数，h_s是排队车辆的车头平均间距。

17.如权利要求16所述装置，其特征在于，所述确定单元具体用于：

所述受控路口存在二次排队车辆时，按照下列公式确定存在二次排队车辆时的预测到达车辆数：

$\stackrel{\‾}{N_t}=\mathrm{\λ}{N}_{\mathrm{zt}}$

其中：是第t个时间间隔的预测到达车辆数，N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

18.如权利要求12所述装置，其特征在于，所述配时参数确定单元具体用于：

所述受控路口各相位的第一排队队长、第二排队队长、第二流量、期待通行能力满足如下关系式：

$L_{t+1}^i-L_t^i=(\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}-\frac{Q_{t+1}^i}{12})*h_s$

其中，为相位i在第t+1时间间隔的第二排队队长，为相位i第t时间间隔的第一排队队长，为相位i第t+1时间间隔的第二流量，h_s是排队车辆的车头平均间距，为相位i第t+1时间间隔的期待通行能力。

19.如权利要求18所述装置，其特征在于，所述配时参数确定单元具体用于：

所述受控路口的第二流量为：

$\stackrel{\‾}{N_{t+1}^i}=\mathrm{\λ}{N}_{\mathrm{zt}}$

其中：为相位i第t+1时间间隔的预测到达车辆数；N_zt为第t个时间间隔上游路口1、2、3方向的总到达车辆数，λ为分流系数。

20.如权利要求18所述装置，其特征在于，所述配时参数确定单元具体用于：

确定所述期待通行能力后，依据如下公式求解信号灯配时参数，

$Q_{t+1}^i=\frac{S_i({G_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}-{{\mathrm{\μ}}_i}^{\′})}{C^{\′}}$

其中，S_i为相位i的饱和流量，C'为期待通行能力所对应的信号灯周期，G_i'为相位i的绿灯时间，Y_i'为相位i的黄灯时间，μ_i'为相位i的绿灯前损失时间与后损失时间之和。

21.如权利要求20所述装置，其特征在于，所述配时参数确定单元具体用于：

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为单数，则输出结果；

若满足所述约束条件的信号灯配时参数且所述目标函数W最小的解为多个，则输出信号灯周期最小的信号灯配时参数。

22.如权利要求20所述装置，其特征在于，所述配时参数确定单元还用于：

若无满足所述约束条件的信号灯配时参数时，则则增大所述受控路口相应相位的排队队长阈值。